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Turbine blades for gas turbines are exposed to extreme working conditions in a demanding environment. In-service inspection, maintenance and refurbishment of the heavily stressed parts is necessary to ensure both safety and efficiency, e.g. based on immersion ultrasound testing (UT).
In the course of NDE 4.0, the European project MRO 2.0 aims to innovate the maintenance, repair and overhaul of turbine blades by linking these with modern digital methods. For this, the goal of this project is to go beyond conventional automated and manual UT testing techniques.
The aim is to measure the actual geometry and wall thickness of the complex shaped parts by applying an adaptive TFM that takes into account the refraction of the ultrasonic waves at the transition from the coupling material (water) to the inspected part (steel). In this setup the phased array probe is held by a robotic arm that allows the part to be scanned while remaining mainly perpendicular to the inspected surface. In this way, even complex geometries can be inspected and a 3D model of the actual condition of the part can be created.
The laboratory setup is equipped with a Vantage 64 phased array instrument from Verasonics Inc. and an industrial robot from ABB. A 64 element linear array probe operating at 10 MHz is attached to the robot.
The focus is on optimizing resolution, reliability and inspection speed, as the reconstructed model will be fed to the digital twin at a later stage of the project and used for targeted repairs. In addition to enhancing the reconstruction algorithms, required probe geometry and the parameters needed to inspect turbine blades with partially thin walls and anisotropic materials will also be investigated.
This talk will describe the 3-year project and present the results of the first year. The main focus will be on the development of the reconstruction algorithms used and the experimental setup.
Seit Jahren stellt die luftgekoppelte Ultraschallprüfung eine etablierte Alternative zur konventionellen Prüfung von Leichtbaukomponenten aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Automotive dar. Im Gegenteil zur flüssigkeitsgekoppelten Prüfung in Kontakt oder im Tauchbecken ist sie weniger invasiv und bietet daher zeitliche und finanzielle Anreize.
Normalerweise wird die luftgekoppelte Prüfung mit Einzelelementschwingern in Durchschallung realisiert, wohingegen die Gruppenstrahlertechnik bereits Industriestandard im Bereich der Kontakttechnik darstellt. Die damit verbundenen Vorteile wie die aktive Fokussierung oder, die gezielte Manipulation des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, finden im Bereich der luftgekoppelten Prüfung dabei noch wenig Anwendung.
Im Rahmen dieses Beitrags stellen wir die ersten Zwischenergebnisse des geförderten Projektes „PALUP – Phased- Array-Technik für Luftultraschall-Prüfungen“ vor. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Mehrelementschwingern auf Basis von zellulären Kunststoffen, die Entwicklung einer dedizierten Pulserstufe im Kilovoltbereich, sowie die nötige rauscharme messtechnische Auswertung jedes Einzelelements.
High speed ultrasonic axle inspection using a phased array with an electronically rotated beam
(2016)
The ultrasonic testing of the railway axes with a hollow drilling can be realized from the inside of the drill hole without demounting the axes and without dismantling the wheels and the brake discs. Flaws in the outer surface of the hollow shafts, whose orientation lies in the radial-radial plane have to be detected. Common testing systems use scanning in the circumferential direction by mechanical rotation of the probe system in the drilling. The presented phased array probe system carries out the rotation scan by electronically steering of the sound field only. Thereby manipulation of the probe inside the drilling becomes more simple and the inspection time can be shortened significantly. The beam will additionally be focused in the plane vertical to the specimen axis to optimize sound field parameters to different axle geometries.
Der einwandfreie Zustand der Radsätze von Schienenfahrzeugen ist von größter Bedeutung für den sicheren Betrieb. Die Radsatzwellen werden durch eine große Zahl von Lastwechseln individuell unterschiedlich beansprucht. Dabei spielen viele Einflüsse wie äußere statische und dynamische Lasten, innere Lasten aufgrund von Unwuchten und inneren Spannungen und Umweltbedingungen entscheidende Rollen. Eine regelmäßige Prüfung ist daher obligatorisch. BTD entwickelt im Rahmen eines MNPQ-Projektes in Kooperation mit der BAM eine Phased Array Technik zur automatisierten Prüfung von Radsatzwellen im eingebauten Zustand. Die schwierigen Ankoppelbedingungen aufgrund der begrenzten Zugänglichkeit, der komplexen Geometrie sowie Farbschichten und Schmutz auf der Radsatzwelle stellen hierbei große Herausforderungen dar. Zu deren Bewältigung werden neben optimierten Prüfköpfen, einer in die Wasservorlaufstrecke integrierten akustischen Linse und einer speziellen Ankoppeltechnik auch Signalverarbeitungsalgorithmen eingesetzt. Die Darstellung der Signalverarbeitung ist der Schwerpunkt dieses Beitrages. Mit Hilfe von Messdatensätzen präparierter Testwellen werden verschiedene Algorithmen erprobt und hinsichtlich der Stabilität, dem Verhalten bezüglich der Ankoppelschwankungen und veränderter Wellengeometrien und der Fähigkeit zur automatischen Unterscheidung von Fehler- und Formanzeigen bewertet. Letztlich wird die beste Lösung im entwickelten Prüfsystem eingesetzt.
The application of phased arrays in either linear or matrix arrangement in combination with signal processing opens the door for the mechanized inspection of different thin wall materials itself as well as their joining methods.
Modern lightweight components are typically manufactured by a composition of different types of e.g. steels, metals, fiber reinforced plastics and glass. Dependent on the material combinations e.g. welding, brazing, bonding, cladding or coating may be applied during the manufacturing process to join different semi-finished products to form the component.
The resulting complex material composition and different damage mechanisms pose new challenges to non-destructive testing with ultrasound due to the different material properties and the overall arrangement of the materials employed.
The sound field variation capabilities of array probes may be helpful to overcome some of these challenges if adapted to the specific inspection task.
Examples for the non-destructive mechanized phased array inspection of different types of materials and joining methods will be presented.
Im Rahmen des Europäischen Projektes RAAI* wird speziell für längsgebohrte Eisenbahnradsatzwellen von Hochgeschwindigkeitszügen eine Phased Array Technik angepasst, mit dem Ziel einer nahezu 100%igen Rissprüfung (Tiefe 2-3 mm) ohne die Demontage der Wellen und einer Prüfzeitreduzierung von 75%.
Die Technik arbeitet mit einem Phased Array, bei dem die Schwingerelemente auf einem Kegelstumpf angeordnet sind. Für die Abtastung in Umfangsrichtung erlaubt das Phased Array die schnelle Rotation und zusätzlich das Fokussieren und Schwenken des Schallbündels. In Richtung der Achse wird das Prüfkopfsystem mechanisch bewegt.
In vorangegangenen Projekten ist das Prinzip dieser Prüftechnik entwickelt und die Tauglichkeit gezeigt worden. Die jetzigen Arbeiten haben insbesondere die Optimierung der Sensortechnik an die o.g. Aufgabe zum Ziel. Wegen der ungewöhnlichen Geometrie des Arrays sind umfangreiche Simulationsrechnungen nötig, um die Auswirkung von zahlreichen Parametern auf die Schallfeldform und letztlich auf die Empfindlichkeit und die Ortsauflösung zu untersuchen und die Konstruktionsdaten zu bestimmen.
Zur Validierung der Prüftechnik werden Tests an typischen Eisenbahnradsatz-wellen durchgeführt. Der Einsatz von unterstützenden Signalverarbeitungsalgorith-men bei der Auswertung der Prüfergebnisse zur sichereren Fehlererkennung ist u.a. wegen des möglichen geringen Messpunktabstandes für diese Prüftechnik besonders vielversprechend. Der Stand der Entwicklung wird gezeigt.
In the last two decades automated ultrasonic inspection devices took over a lot of applications that prior have been carried out using manual inspection with the evaluation of A-scans only. In parallel phased array systems have been developed and brought to the market which offer detailed and fast control over the sound field. When applying automated inspection phased array systems for UT measurements imaging of the recorded data in combination with the probe positioning data is used for the evaluation of inspections. B-Scan, C-Scan and S-Scan images are typically used with this setup.
For more sophisticated applications with linear arrays echo tomography and syntethic aperture focusing technique (SAFT) are well known methods and often applied for high resolution image reconstruction. Since channel count of phased array systems is constantly rising, matrix arrays with up to 256 elements entered the market. Signal processing in the matrix domain became 3D. Since some years the Total Focusing Method (TFM) is an additional imaging tool for these type of application. It is based on the Full Matrix Capture (FMC) using the elements of phased array probes as separate transmitters and receivers.
In this contribution we discuss the common ground of SAFT and TFM as well as the differences between these imaging tools. The combined use of automated inspection, matrix arrays and signal processing for high resolution measurements is a challenging task where a very long parameter list has to be taken into account. Under which conditions which elements of the full matrix should be taken for the reconstruction for best results?
Based on examples taken from measured and simulated echo signals it will be shown how image resolution can be optimized in dependence of different parameters like the distance between transmitters and receivers and their directivity patterns, the depth of echo source and the specimen geometry.